新型納米級(jí)電接觸電阻測(cè)量的新技術(shù)

在典型測(cè)量過(guò)程中，數(shù)字源表的一個(gè)通道用于實(shí)現(xiàn)源和測(cè)量操作，另一個(gè)通道用作電流到電壓放大器，將電流數(shù)據(jù)傳輸?shù)娇刂朴?jì)算機(jī)。控制軟件極其靈活，允許用戶指定并測(cè)量源電流和電壓的幅值，對(duì)預(yù)定義的壓力或位移點(diǎn)進(jìn)行I-V掃描。用戶通過(guò)nanoECR軟件界面控制所有的數(shù)字源表功能，無(wú)需手動(dòng)修改儀表本身上的參數(shù)。憑借該軟件的靈活性和自動(dòng)化的測(cè)試?yán)蹋脩魺o(wú)需手動(dòng)操作，能夠測(cè)試最具挑戰(zhàn)性的樣本。測(cè)試時(shí)間高度取決于用戶定義的變量，但是普通的測(cè)試序列耗時(shí)只有大約1分鐘。
Hysitron nanoECR系統(tǒng)分辨率、精度和噪聲指標(biāo)為：
壓力分辨率：1nN
壓力白噪聲：100nN
位移分辨率：0.04nm
位移白噪聲：0.2nm
電流分辨率：5pA
電流白噪聲：12pA
電壓分辨率：5µV
X-Y定位精度：10nm
硅相位變化的例子
對(duì)于研究探測(cè)過(guò)程中壓力導(dǎo)致的相位變換（參見(jiàn)參考文獻(xiàn)），硅是一種很好的材料實(shí)例。在探針加載/撤除過(guò)程中隨著探針壓力的增大/減小，處于移動(dòng)探針下的納米變形區(qū)內(nèi)會(huì)出現(xiàn)一系列相位變換。在加載探針的過(guò)程中，Si-I（菱形立方晶體結(jié)構(gòu)）在大約11～12GPa的壓力下將轉(zhuǎn)變?yōu)镾i-II（金屬β-Sn)。在撤除探針時(shí)隨著探針/樣本接觸壓力的減小，將會(huì)進(jìn)一步出現(xiàn)從Si-II到Si-III/XII的轉(zhuǎn)變。
圖2給出了施加的壓力和測(cè)得的電流與探針位移之間的關(guān)系曲線。當(dāng)探針接觸硅表面時(shí)，壓力-位移圖是一條相對(duì)連續(xù)的曲線，而電流-位移圖在大約22nm的探針位移下出現(xiàn)不連續(xù)現(xiàn)象，表明發(fā)生了Si-I 到Si-II的相位變換。在逐漸撤除探針過(guò)程中，壓力-位移和電流-位移的測(cè)量結(jié)果中都明顯出現(xiàn)了Si-II到Si-III/XII的相位變換。這些變換出現(xiàn)得相當(dāng)突然，我們將其看成是突入（pop-in）和突出（pop-out）事件，并在圖2中標(biāo)明。
探針加載/撤除的速度也會(huì)影響材料的電氣特性。例如，在硅表面從最大負(fù)荷壓力下快速撤除探針將會(huì)形成α-Si，表現(xiàn)出完全不同的電氣特征。這類(lèi)測(cè)量對(duì)于諸如硅基MEMS和NEMS器件的研究是非常關(guān)鍵的。在這類(lèi)器件中，對(duì)小結(jié)構(gòu)施加的小壓力會(huì)轉(zhuǎn)變成大壓力，引起材料內(nèi)部微結(jié)構(gòu)的變化，進(jìn)而決定材料的電氣和機(jī)械特性。

圖2. 機(jī)械（壓力-位移）和電氣（電流-位移）曲線表明在p型硅的納米變形過(guò)程中出現(xiàn)了壓力導(dǎo)致的相位變換

結(jié)束語(yǔ)
成功的開(kāi)發(fā)和制備納米級(jí)材料和器件在很大程度上取決于能否定量地評(píng)測(cè)和控制它們的電氣和機(jī)械特性。nanoECR系統(tǒng)提供了一種直接、方便而定量的技術(shù)，使研究人員能夠測(cè)出通過(guò)傳統(tǒng)方法不可能測(cè)出的材料特性/行為。除了硅之外，這種研究工具還能夠用于研究金屬玻璃、壓電薄膜、有機(jī)LED、太陽(yáng)電池和LCD中的ITO薄膜，以及各種納米固體材料，使人們能夠洞察到薄膜斷面、錯(cuò)位成核、變形瞬態(tài)、接觸電阻、老化、二極管行為、隧道效應(yīng)、壓電響應(yīng)等微觀現(xiàn)象。